高钢级油气管道环焊缝接头性能及质量控制

PETROLEUM TUBULAR GOODS & INSTRUMENTS

- 15 -#环焊缝专题#高钢级油气管道环焊缝接头性能及质量控制！何小东1,高 琦2,李为卫1,池 强1,高雄雄1（1•中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 陕西 西安710077；2•中国石油西部管道公司 新疆 乌鲁木齐830013 %摘 要:在介绍管道环焊缝特点及重要性的基础上,分析了典型化学成分X80钢管自保护药芯焊丝半自动焊（FCAW-S）和熔化极

气体保护焊（GMAW）环焊缝接头的关键力学性能。结果表明，无论采用FCAW-S还是GMAW方法并匹配相应级别焊丝进行环焊 缝焊接，其接头的抗拉强度均满足标准要求。FCAW-S和GMAW环焊接头热影响区的韧性分散性大于焊缝，但是FCAW-S环焊接

头焊缝的冲击吸收能量容易出现低值而导致不满足标准要求，而GMAW环焊接头焊缝和热影响区的冲击韧性均满足标准要求。

强度匹配和焊接缺陷对管道环焊缝接头性能和承载能力有重要影响。为了保证管道运行安全，需要加强环焊缝焊接质量控制。

关 键 词：管道；高钢级;环焊缝接头；性能及质量控制中图法分类号:TE973 文献标识码:A 文章编号：2096 -0077（ 2020） 02 -0015 -06DOI：10.19459/j. cnki. 61 - 1500/te. 2020. 02. 003Performance and Quality Controi of High Strength

Pipeline Gidh Weld JointsHE Xiaodong1 , GAO Qi2, LI Weiwei1 , CHI Qiang1 , GAO Xiongxiong1（1. State Key Laboratoro foo Performance and Structuro Safety of Petroleum Tubulao Goods and Equipment Materials,

CNPC Tubulao Goods Research Institute, Xi'an, Shaanxi 710077 China；2. PetroChina Wesl; Pipeline Companf, Urumqi, Xinjiang 830013 , China%Abstracr: On the basis of introducing the characteristics and irnportancc of girth welds of pipelines, the key mechanicci properties of

FCAW-S and GMAW gith welded joints of X80 steel pipe with typicoi chemicci composition were analyzed. The asults show that the tensiie

strength of the gith welded joints can meet the requirements of the standard no mattee whether FCAW-S or GMAW method is adopted and matched with the cooesponding grade wires. The toughness dispersion of HAZ of FCAW-S and GMAW girth welded joints is greatee than

that of weld, but the impact absorbed eneroy of FCAW-S gith welded joints is easy te be low, which leads te failure te meet the standard re­quirements , whiie the irnpcct toughness of weld and HAZ of GMAW gith welding joints is bettee. Strength matching and welding defects

have important effects on the performancc and bearing capacity of gith weld joints of pipelines. In ordet te ensure the safety of pipeline op­

eration ,it is necessaiy te strengthen the quality controi of gith welding.Key wordt: pipeline ； high strength ； gith weld joint ；and quality controi线钢管，并大规模成功应用于西气东输、中亚、中缅和中 俄等重大管道工程。以西气东输二线为标志，近20年来中国的长输管道 众所周知,长输油气输送管道常 、、水取得 的发展,自主研发了 X70、X80级大 管 域、山地等复杂地域和人口密集的城镇,其安全可靠运初投稿收稿日期：2020 -01 -15 ；修改稿收稿日期：2020 -03 -10!基金项目：国家重点研发计划课题“ L485高应变海洋管道环焊材料及工艺技术”（项目编号:2018YFC0310305）;中油股份有限公司课题

“天然气管道环焊缝修复用B型套筒维抢修关键技术及换管焊接工艺优化研究”（项目编号：2019E -23 -0501）第一作者简介：

，男，1970年生,教授级高工,2004年毕业西安交通大学材料科学与工程专业,获硕士学位，主要从事材料性能测试及表征、焊接工艺研究。E-mail: xiaodonghe@126.com• 16 •条谕荤爲均仪器2020年4月行对于社会和自然环境具有重要意义，一旦发生失效将 导致灾难性事故。而焊接是当今油气长输管道连接的

式,环焊缝接头性能和焊接质量对管道

具有决定性作用。近年，国

部分表现为环焊缝断裂〔一3 。 2019年国 少发生了 15

安全图1为管道环焊缝焊接热循环及焊接接头非均匀性

输管道失效事故大统计，仅2011年新建管道的环焊缝失*管道 安全的 图。在焊接热源作用下，填充材料熔化形成焊缝，焊缝附近的母材局部熔化，并在

位置

的焊接热循环形成了热

的焊接

。焊和 设，油气输效，失效 环焊缝接 学性能和焊接 有关,公众的广接接头的化学成分+微观组织、力学性能和耐蚀性能都

材有较大差异，焊接操作

而且有的管道连续两年 造成重大损失。

突出。发生环焊缝断裂并的重要性

，管道环焊缝失效

计( 等壁厚焊接)会导 续。 。泛关注，环焊缝接头性能和焊接质量 :送管道环焊缝接

环焊缝断

型的非均匀

油气输送管道主要失效模式之一。管道环焊缝失效典型案例。H介绍了环焊缝接

环焊缝焊接质量

点及其重要性，分图2 年国

种常用焊接工艺的管道环焊缝接头性能,最后着重强调

关注的问题。见，非 匀 安

的环焊缝接头性能及 量 管道关重要作用。⑷焊接热循环图1焊接热循环及焊接接头非均匀性对管道本质安全的影响护药芯焊丝电弧焊、熔化极活性气体保护自动焊、自动埋

弧焊和 焊，但环焊缝填充、 最主要的焊接方自保护药芯焊丝半自动焊接(Self - shielded Flux -

cored Arc Welding，FCAW-S)和熔化极气体保护焊接

(Gas Metai Arc Welding，GMAW) o 下面分别介绍 X80 管

道采用这两种焊接方法的环焊缝接头组织及关键性能。

2.1.1 FCAW-S环焊缝接头组织及性能FCAW-S所焊接管道的外径为1 219 mm，壁厚为

18.4 mm和22.0 mm,钢级为X80，有两种钢管类型，即直

(a)北美某管道环焊缝断裂

(b)国内某管道环焊缝断裂缝埋弧焊接钢管和螺旋缝埋弧焊接钢管,其化学成分见

表1 从表1 看出，虽然所添加的合金 有差, 管种钢管类型的 数均小于0.%,图2近年来国内外管道环焊缝失效典型案例o， 种类型的 管 性 ， 具有 的焊接性。表2为管道现场焊接所采用的焊接工艺，管道

环焊缝焊接根焊采用GMAW内焊,热焊、填充和 '均

2. 1 FCAW-S和GMAW环焊缝接头性能采用自保护药芯焊丝半自动焊接。长输油气管道常用的焊接 主要有药皮焊条电现 取的24 FCAW-S环焊缝接头截取试样弧焊、手工-极氮弧焊、熔化极气体保护半自动焊+自保进行性能试验，图3为接 布 。从图32020年第6卷第2期何小东等:高钢级油气管道环焊缝接头性能及质量控制表1外径1219 mm X80钢管

分(质量分数)

Nb0.0890.084VTi• 17 •%钢管类型SAWL-BSAWL-ACSi0.220.19MnPSCtMo0.05NiCu0.220.15BAI0.0270.0370.0270.024CEpcm0.190.0521.821.910.006 40.000 20.009 90.002 40.310.240.180.250.0050.0070.0380.0060.0120.000 30.000 10.000 10.000 30.0480.110.0110.0130.0100.180.170.18SAWH-SAWH-W0.0310.0460.180.261.780.013 00.002 80.014 00.002 2

0.230.0280.280.300.200.0680.0660.140.241.790.27表2 X80管道FCAW-S焊接工艺焊丝 保护气体焊接 焊接

数 刑号 直径 成分及比例 流量

/mm

Ar：CO2 /( L • mW1 )极性 电流

/A

电压

/V

/(送丝速度 焊接速度m • min\"1 ) /(m • min\"1 )焊GMAW114〜6ER70S - GE81T8 -Ni2JE81T8 -Ni2JE81T8 -Ni2J1.22.02.02.08 ：220 〜35DC +140〜180160〜260170〜280160〜24014〜183.81 •-4.572.03-2.542.03-3.052.03-2.54180180160160350300热焊FCAW-S//////

DC-DC-DC-18〜2418〜2418〜24填充FCAW-S盖面FCAW-S2802401看出，在96焊接 环焊缝接头试样的

625 MPa的要求试样中，除2个试，其它程。一般，油气管道环焊接头HAZ的 试样材金°大于X80 管最试样断口位置，低于位于壁厚中心， 位置为焊缝金属和热

，焊缝金

通观

625 MPa的2个试断裂位置 材上 焊缝的

°占50% o

热

80(说，高收能量值有很大的从而导致极少数FCAW-S的

,性对热 的低于标准要求625 MPa的焊接接 收能量低于标准要求，而 为分散。于管体 的 。虽然另有4个试断于焊缝，为 705 +707 +746+742 MPa，均大于标

准要求的625 MPa°75170o

65o 60o 55o

图4为FCAW-S焊缝和热影响区在-10 l时的夏

收能量。西气东输二线环焊缝焊接验收标准

要求环焊缝接头焊缝和热

的 收能量单

(b)

于60 J，

看FCAW-S环焊缝

，于80 J°从图4 (a)、图4收能量有相50(当一部分低于标准要求，但热

量只有极少数低于标准要

环焊缝的

图4 (c)表明，FCAW-S收能量离散程 热 的离3点位置-WM°的 收能图

3

T1 T2 T3 T4试样位置FCAW-S环焊缝接头抗拉强度分布

180150120■单个值•单个值▲单个值▼平均值J7A4V*3点位置-WM36030o 24o 18o 12o 6o

■单个值•单个值▲单个值▼平均值906030温姿密

标准要求：輩个值M60J,评筠畜＞80J51015 20 25OLO

30标進霁求.：单个值弓6QJ：平均值产80J510 15 20 25环焊缝编号(a)焊缝环焊缝编号(b)热影响区夏比冲击吸收能量/J(c)夏比冲击吸收能量分布图4 FCAW-S焊缝和热影响区的夏比冲击吸收能量及分布管道焊接属于全位置焊接，在管道顶部(12点) 工操作不当,FCAW-S容易产生

、未熔合、气孔等

的焊接缺陷，主要是部(6点)位置附近操作 ， 工艺 严格或焊 )4 °图5为FCAW-S环焊缝典*• 18 •2020年4月型。这些焊接 仅 焊缝的 性，而 2.1.2 GMAW环焊缝接头组织及性能降低了焊接接头的承载，导管道环焊缝失效事

故增加。年来，管道建设用管线钢管 高,以及管道建设

等级的不断使用、管 和壁厚的不断增大，为了高环焊缝焊接质量和效率，管道建设

熔化极气保护自动焊技术(GMAW - Auto)〔5* o为 1 422 mm， 壁厚为 21 .4 mm 和 25.7 mm，

X80 级天然气管道为例°管道采用两种类型钢管，即

直缝埋弧焊接钢管和螺旋缝埋弧焊接钢管，其化学成分

(a)夹渣和气孔(b)未熔合见表3 o管道环焊缝的根焊(内焊)、热焊、填充和 '均

采用熔化极气体保护自动焊接(GMAW - Auta)，焊接工

图5 FCAW-S环焊缝典型焊接缺陷艺见表4 o%Ti表3外径1 422 mm X80钢管化学成分(质量分数)

管类型CSMnPSCr0.230.220.240.19Mo0.110.150.240.16NiNb0.0570.0560.069VCu0.14BAiCEpcm0. 170. 17SAWL-B0.0480.200.200.220.241.701.710.007 40.001 90.006 60.002 0

0.190.160.0060.0060.0170.0160.000 40.000 10.000 30.000 20.0370.026SAWL-A0.050SAWH - B0.010.010.010.0560.0461.670.008 70.001 80.210.190.0070.0060.0110.0140.0310.0270.180.17SAWH - W1.740.011 00.001 90.061表4 X80管道GMAW焊接工艺焊丝

焊道焊接保护气体直径

/mm

刊口 成分及比例

Ar：CO2

4： 10： 1流量

/(L • min_1 )极性电流

/A

电

/V 18 〜2620 〜2820 〜2820 〜28送丝速

/ ( m • min _1 )

8〜1110 〜14焊接速度/ ( m • min -1 )型＞

焊GMAWGMAWGMAWGMAWER70S - GER80S - GER80S - GER80S — G0.91.01.01.020 〜4030 〜5030 〜5030 〜50DCEPDCEPDCEPDCEP130 〜260180 〜300120 〜260110 〜2200力〜0力0力〜1力0力〜0力0力〜0力热焊填充盖面4： 14： 18〜125〜10图6为GMAW环焊缝接 (从图6可以均高于中俄东线管道环焊缝验收标准要求，即单个值\"

38 J,

看出,X80管道采用GMAW工艺，匹配ER80S - G焊丝

环焊缝焊接，其环焊缝接

625 MPa,且断于母材，说明GMAW环焊缝接头的

\"50 Jo即使 照西气东输二线管道工程环收能量单

和

低于高于焊缝

准o

强60 J+80 J要求，GMAW环焊缝接头的韧性 收标，但高于度高于管体纵向

800 r。，从图7 (b) 看出，GMAW环焊缝的 值集中，而熔合线处的

布

Y w X c K H

焊缝的 o图8为GMAW环焊缝和熔合线处系列下的

收能量o从图8 得，GMAW图7

击吸收能量分布。图7表明，GMAW环焊缝接头焊缝和 热 的

edJVE^^^^环焊缝在-40 1最 收能量为107 J，熔合线最小吸 收能量为128 Jo ，GMAW环焊缝和熔合线具有较高

心=625 MPa的低 性。GMAW环焊缝接头的力学性

焊接质量 【相T2

试样位置T3T4关o图9为无 缝

焊接

GMAW焊接接头组织、典型形貌o工艺参数合理并严格

材熔合

。

工艺不当或坡口尺寸

，GMAW焊道与焊道、焊图6 GMAW环焊缝接头抗拉强度， 位置( 焊)、焊接焊接位置焊缝和熔合线(HAZ)夏标准要 ，GMAW自动产生气孔+未熔合、 等型焊接 ，如收能量的单个最 和 【值图10 o2020年第6卷第2期何小东等:高钢级油气管道环焊缝接头性能及质量控制• 19 •380342304266

■平焊位置焊缝•平焊位置熔合线▲平焊位置焊缝，平焊位置熔合线 ♦平焊位置焊缝w平焊位置熔合线15就228 温190 轡152114576380「标准要普：单个值戸38J,平均值M50J16111621038 76

试样序号(a)夏比冲击吸收能量114 152 190 228 266 304 342吸收能量/J(b)夏比冲击吸收能量分布图7 GMAW环焊缝接头夏比冲击吸收能量及分布228342304190152114266 ^228

7638-»-W-WM -i-X-WM

C-WM-^K-WM —-H-WM盂190 豊152 密11476380 ______________________________i_-40 -30 -20 -10 0 10 20-40 -30 -20 -10 0 10 20(a)焊缝温度代温度代(b) HAZ图8 GMAW环焊缝接头焊缝和HAZ系列温度的冲击韧性(a)宏观形貌(b)焊缝组织(c)熔合区组织图9 GMAW环焊缝接头组织形貌(a)气孔(b)未熔合图10 GMAW环焊缝接头典型焊接缺陷形貌2.2环焊缝质量控制需关注的问题50251 -2015《输气管道工程设计规范》；第二 级是所述，无 采用FCAW-S还 采用GMAW焊

接工艺均有 产生焊接 ，从而 环焊缝接头的 性能,需要加强环焊缝质量 。国内油气管道环焊缝焊接质量 标准有以下四 级： 级国家管道系统标准，如GB国家 业管道焊接标准，如GB/T 31032-2014《管道焊接验收》;三 级是企业管道焊接标准，如中油管道标准 CDP - G - OGP -OP-081.01 -2016 -1《油 气管道工程技术规定-第1部 线路焊接》;第

级 某个管道项目的焊接标准，如Q/SY GD 0503.• 20 •条谕荤爲均仪器2020年4月12-2016《中俄东线天然气管道工程技术规范第12 工前应做好技术交底，从设计、业主代表、监理、施工承

管理者和焊接操作者，应

部分:线路焊接》。焊接接头的 、拉，严中国管道焊接的国家标准和企业标准主要 等效采用美国的ASME或API标准，

程特点，制定

「或格

、 性、 等 项性

环境

标要 ; 严格 焊接合具体项目工材料存储和使用管理规定；改 现场焊接施工

合适的焊接和施工技术要求，其总体和；焊接操作者操作技能和责，合理 用和工期技术

标准体系

低于国外标准。 ，管道环焊缝质量 ；保证焊接质量为

(质量、费用

的。

要

，焊接工艺评定时，在管材成+ ，“三”)。作业，具有变化、不等壁厚、最焊接道数、焊接位置 、工艺参数等

焊接质量

试总之，油气管道环焊缝焊接为现 性，焊接质量

重视管道环焊缝焊接质量，从

大，需要

+优化，以适应现场，在现 施工时需要严格关方高度，才能要;另

环节加

焊接工艺，

首先，环焊缝接

管道环焊缝焊接质量。最

采用等强环焊缝质量,从而保证油气管道的 安全。油气管道环焊缝焊接质量 要关 下 。设计 应

接头设计。环焊缝接头采用等，不仅

允许较大的焊接 限，而 '以避免DIC

1) 焊接是油气输送管道 的连接方式，环焊缝断

焊缝及HAZ应变集中导致环焊缝断裂。图11所示是等

GMAW环焊缝接头带

管道失效的主要模式，环焊接头的性能和质量直试验。结果ER80S -接关系到管道的 安全。表明，X80管道环焊缝采用GMAW焊接

G焊丝,焊接接

2) 对于国 型化学成分的X80管线钢管，无 采

载荷下，虽然焊缝处 处先产材上并用FCAW-S还 GMAW

环焊缝焊接，其接头的

应级别焊丝 '生应变集中， 载荷增加，最大变形

的是管道环焊缝

标准要求。断于母材。需要

于管体纵向的

设计是3) 对于FCAW-S和GMAW环焊缝接头，其热影响区，而 管体横向强度。韧性 性大于焊缝。但是FCAW-S环焊接头焊缝具有 的收能量容易出现低值而导致不满足标准要求;而 于

GMAW 环 焊接 ， 焊缝和 热

韧性。4) 油气管道环焊缝质量控制标准基本健全。为了环焊缝接头性能和质量，以保证管道 安，要重点关注材料焊接性、 定、现场施工焊接质量控制等。参考文献图11等强匹配GMAW环焊缝接头带缺陷DIC拉伸试验设计、焊接工艺评，焊接工艺评定。焊接工艺评定不仅只对

)1 ] AMEND B. Early generation pipeline girth welding practices

成分、 成分、

种管型的钢管

壁厚和

，更应关 化学and their implications for inteerity management of North A-

管型+ 等级之间组对的mericon pipelines [ C ] //Talgary ： 8 th International Pipeline Conference，2010： IPC 2010 -31294.焊接工艺评定， ：直缝埋弧焊接钢管-螺旋缝埋弧焊接钢管、直缝/螺旋埋弧焊接钢管-弯管/管件、不等

壁厚和

)2]胡美娟， ， ，等•天然气输送管道环焊缝泄漏等级钢管组对焊接的工艺评定。另，试

反映焊接接失效

)3 ]

[J]力旱管，2014，37(2)：56 -63.当壁厚大于12.7 mm时，

，王 ，，等•长输油气管道裂纹失效案例调研[J] •石油化工应用，2017，36 (10) ：9-13.)4 ]

，，梁明，等•长输管道自保护药芯焊丝半自工艺性能？是否应增加

试样的试

试验？壁厚较大时(比如壁厚大于18.4 mm)，管体壁厚中心截取焊缝和熔合区

反映根部的韧性，

动焊典型

)5 ]

，，

)J]力旱管，2014，37(5)：53 -57.增成•管道环焊缝半自动焊与自动焊技术加根部焊缝和熔合 定时都应

。试验？这些 焊接工艺对比分析[J]力旱管，2009，36(9)：38 -47.最后，现 焊接施工及质量管理方面。现场焊接施(编辑:屈忆欣)